閱讀排名更多

推薦展會(huì)更多

清華大學(xué)研究人員在基于超長(zhǎng)碳納米管的高性能傳感器研究方面取得重要進(jìn)展

2024-09-11 14:17:38清華大學(xué)閱讀量：172      我要評(píng)論

導(dǎo)讀：超長(zhǎng)碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力、高強(qiáng)度、高柔性、高韌性、超耐疲勞性能、輕量化、超細(xì)的直徑和巨大的長(zhǎng)徑比等性能，從而使其在制備各類(lèi)傳感與探測(cè)器件方面展示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　超長(zhǎng)碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力、高強(qiáng)度、高柔性、高韌性、超耐疲勞性能、輕量化、超細(xì)的直徑和巨大的長(zhǎng)徑比等性能，從而使其在制備各類(lèi)傳感與探測(cè)器件方面展示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)碳納米管在高端傳感器件中的廣泛應(yīng)用，一方面需要解決其批量制備的難題，另一方面則需要發(fā)展有效的器件設(shè)計(jì)策略，使超長(zhǎng)碳納米管的本征性能得以充分發(fā)揮。

　　針對(duì)超長(zhǎng)碳納米管的傳統(tǒng)生長(zhǎng)方法中產(chǎn)率過(guò)低的問(wèn)題，清華大學(xué)化工系張如范課題組開(kāi)發(fā)了一種基底攔截導(dǎo)向策略，克服了傳統(tǒng)生長(zhǎng)方法中催化劑利用率低、催化劑顆粒易聚等難題，使超長(zhǎng)碳納米管的陣列密度和產(chǎn)率提升了2–3個(gè)數(shù)量級(jí)。為進(jìn)一步提升超長(zhǎng)碳納米管水平陣列的產(chǎn)率和均勻性，張如范課題組還提出了浮游雙金屬催化劑的原位氣相合成方法，顯著延長(zhǎng)了催化劑的壽命，并實(shí)現(xiàn)了30厘米級(jí)碳納米管水平陣列的大面積均勻制備。

　　在器件開(kāi)發(fā)方面，張如范課題組實(shí)現(xiàn)了基于懸空超長(zhǎng)碳納米管網(wǎng)絡(luò)的超靈敏氣流傳感器的制備，利用超長(zhǎng)碳納米管輕質(zhì)、超柔的特性實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、超快響應(yīng)和低檢出限等優(yōu)異的氣流傳感性能，證明了高密度超長(zhǎng)碳納米管在傳感器領(lǐng)域的重大應(yīng)用潛力。在此基礎(chǔ)上，張如范課題組進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于懸空碳納米管交叉網(wǎng)絡(luò)的氣流傳感器，憑借獨(dú)特的交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了氣速檢測(cè)范圍的顯著拓寬，并使器件實(shí)用性大大提升。

　　面向遙感、自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)成像、光通訊、安保等領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅?a target="_blank">光電探測(cè)器的日益增長(zhǎng)的需求，張如范課題組近日提出了一種基于懸空超長(zhǎng)碳納米管的高性能光電探測(cè)器。碳納米管因其寬譜吸收、超快激發(fā)、可調(diào)帶隙、高遷移率等特性，是一種構(gòu)建高性能光電探測(cè)器的理想材料。相比于傳統(tǒng)的光電探測(cè)材料(如Si、GaAs、InAs等)，碳納米管在探測(cè)范圍和響應(yīng)速率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，并且在室溫條件下即可實(shí)現(xiàn)傳感功能。然而，之前報(bào)道的碳納米管光電探測(cè)器因電-聲相互作用、光熱效應(yīng)、結(jié)構(gòu)缺陷等因素，未能發(fā)揮出碳納米管本征的光電性能。因此，張如范課題組創(chuàng)新性地提出利用懸空結(jié)構(gòu)避免基底聲子散射的不利影響的思路，并利用懸空超長(zhǎng)碳納米管與空氣界面上的超高傳熱系數(shù)和比表面積削弱光熱效應(yīng)，同時(shí)優(yōu)化超長(zhǎng)碳納米管的面密度，以實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)性能的全面提升。

　　張如范課題組利用之前開(kāi)發(fā)的基底攔截導(dǎo)向策略，在帶有圓形孔洞的基底上成功生長(zhǎng)出了陣列密度可調(diào)的懸空超長(zhǎng)碳納米管，隨后在其兩側(cè)沉積金屬電極，即可構(gòu)筑成基于懸空超長(zhǎng)碳納米管的光電導(dǎo)探測(cè)器(圖1)。懸空超長(zhǎng)碳納米管呈現(xiàn)出宏觀長(zhǎng)度、完美結(jié)構(gòu)以及高取向度，可以充分實(shí)現(xiàn)兩端電極之間的隧穿，并且其中納米級(jí)直徑的管束也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的散熱性能，與器件的概念設(shè)計(jì)高度一致。

圖1.基于超長(zhǎng)碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)的光電探測(cè)器的制備和表征

　　超長(zhǎng)碳納米管光電探測(cè)器的性能評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在相同的激光波長(zhǎng)和功率密度下，懸空超長(zhǎng)碳納米管光電探測(cè)器能夠產(chǎn)生近8倍于非懸空超長(zhǎng)碳納米管的光電導(dǎo)響應(yīng)。同時(shí)，懸空超長(zhǎng)碳納米管的光電導(dǎo)響應(yīng)更不易飽和，且具有更高的靈敏度。不同開(kāi)關(guān)頻率下的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)和響應(yīng)速率測(cè)試也顯示出懸空超長(zhǎng)碳納米管極快的響應(yīng)速率，電流上升與下降時(shí)間在0.13–0.18ms的范圍內(nèi)，優(yōu)于多數(shù)碳材料光電探測(cè)器。該研究還通過(guò)多次循環(huán)生長(zhǎng)得到不同面密度的懸空超長(zhǎng)碳納米管樣品，并從相對(duì)電流變化、響應(yīng)度、探測(cè)率三個(gè)方面分析了面密度對(duì)于懸空碳納米管光電探測(cè)性能的影響(圖2)。測(cè)試結(jié)果顯示，高密度的樣品可有效增加吸收截面積和提高激光能量利用率，在響應(yīng)度和探測(cè)率兩方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)(分別可達(dá)10–1AW–1和109cmHz1/2W–1量級(jí))。

圖2.不同密度的超長(zhǎng)碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)光電探測(cè)器的性能評(píng)價(jià)

　　研究還發(fā)現(xiàn)，懸空超長(zhǎng)碳納米管由于其較窄的帶隙和高效的帶間躍遷激發(fā)，因而可以對(duì)寬波段范圍內(nèi)的入射光產(chǎn)生均勻的響應(yīng)。懸空超長(zhǎng)碳納米管光電探測(cè)器在405nm、532nm、650nm、785nm和850nm入射光下得到了較為均勻的響應(yīng)行為(圖3)，最高響應(yīng)度可達(dá)0.181AW–1，最高探測(cè)率可達(dá)1.20×109cmHz1/2W–1。最后，與純碳基光電探測(cè)器和摻雜的碳基光電探測(cè)器相比，懸空超長(zhǎng)碳納米管在響應(yīng)度、探測(cè)率和響應(yīng)時(shí)間等方面均表現(xiàn)出綜合的優(yōu)勢(shì)。

圖3.超長(zhǎng)碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)光電探測(cè)器的寬譜響應(yīng)行為和綜合性能對(duì)比

　　相關(guān)成果以“基于懸空超長(zhǎng)碳納米管的高性能光電探測(cè)器”(High-Performance Photodetectors Based on Suspended Ultralong Carbon Nanotubes)為題，于8月26日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》(ACS Nano)。

　　清華大學(xué)化工系2024屆博士畢業(yè)生姜沁源為論文的第一作者，化工系副教授張如范為論文的通訊作者，其他合作者包括化工系2023級(jí)博士后王康康、2021級(jí)博士生汪菲、2023級(jí)碩士生劉愷軒、2020級(jí)博士生李潤(rùn)、2022級(jí)博士生趙彥龍、2023級(jí)碩士生習(xí)艾可和化工系科研助理臧永路。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

上一篇：我國(guó)首次研制成功達(dá)到環(huán)境空氣碳監(jiān)測(cè)高精度要求的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

下一篇：中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所智能光學(xué)顯微成像研究取得新進(jìn)展

版權(quán)與免責(zé)聲明：1.凡本網(wǎng)注明“來(lái)源：化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-興旺寶合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來(lái)源：化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng)”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。 2.本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其它來(lái)源（非化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng)）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)或和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，不承擔(dān)此類(lèi)作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí)，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來(lái)源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。 3.如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。

全部評(píng)論

昵稱(chēng) 驗(yàn)證碼匿名

文明上網(wǎng)，理性發(fā)言。（您還可以輸入200個(gè)字符)

表情

所有評(píng)論僅代表網(wǎng)友意見(jiàn)，與本站立場(chǎng)無(wú)關(guān)

相關(guān)新聞

最高補(bǔ)助3000萬(wàn)元！北京市發(fā)布高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)支持政策細(xì)則
近日，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局、北京市發(fā)展和改革委員會(huì)、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中關(guān)村科技園區(qū)管理委員會(huì)、北京市財(cái)政局以及北京市懷柔區(qū)人民政府五部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于支持發(fā)展高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)的若干政策措施實(shí)施細(xì)則（修訂版）》。

2024-09-11 14:17:38

13861
單個(gè)項(xiàng)目最高補(bǔ)助3000萬(wàn)！北京市重點(diǎn)支持高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展
鼓勵(lì)高端儀器裝備和傳感器領(lǐng)域平臺(tái)型企業(yè)開(kāi)展揭榜攻關(guān)、樣機(jī)研發(fā)、研究成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，解決企業(yè)關(guān)鍵核心和“卡脖子”技術(shù)難題，根據(jù)項(xiàng)目投入給予最高3000萬(wàn)元資金補(bǔ)助。

2024-09-11 14:17:38

14121
北京《關(guān)于支持發(fā)展高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)的若干政策措施實(shí)施細(xì)則(修訂版)》發(fā)布
北京5部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于支持發(fā)展高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)的若干政策措施實(shí)施細(xì)則(修訂版)》：鼓勵(lì)高端儀器裝備和傳感器領(lǐng)域平臺(tái)型企業(yè)開(kāi)展揭榜攻關(guān)、樣機(jī)研發(fā)、研究成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，解決企業(yè)關(guān)鍵核心和“卡脖子”技術(shù)難題，根據(jù)項(xiàng)目投入給予最高3000萬(wàn)元資金補(bǔ)助。

2024-09-11 14:17:38

15641